微机电系统器件的制造方法及微机电系统器件与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种微机电系统器件的制造方法及微机电系统器件。


背景技术：

2.随着微机电系统(英文全称micro electro mechanical system，简称mems)技术的发展，硅材料开始作为一种低成本、易加工的结构材料在微电子领域中兴起。但作为一种功能材料，硅材料的性能还有很多方面的不足，在新型mems器件—光电传输领域，其传输损耗较大，很多各种各样的材料显示出比硅更好的性能(品质因数q)。除了在力学器件中用作结构材料，光学器件也可以采用氧化硅作功能材料。因此，在光波导、微波技术、传感器和生物芯片等技术领域，以氧化硅、石英和玻璃作基础材料的器件应运而生。
3.然而，由于某些待刻蚀材料材料对光刻胶选择比比较低，例如目前现有氧化硅刻蚀技术所获得的高深宽氧化硅微结构远远不能满足mems领域的需求，这就迫切地要求有适合获得高深宽微结构氧化硅、石英及玻璃材料的先进刻蚀设备和刻蚀方法的技术支持。
4.对于高深宽氧化硅微结构，由于刻蚀选择比的问题，现有技术一般采用金属作掩膜，但金属掩膜与氧化硅的结合并不紧密，容易脱落，导致器件良率下降。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种微机电系统器件的制造方法及微机电系统器件，实现在选择比较低的待刻蚀材料上获得高深宽比的器件结构，提高器件制备的良率。
6.为实现上述目的，本发明提出了一种微机电系统器件的制造方法，包括：
7.在晶圆的正面上的非刻蚀区域形成图形化的金属氧化物掩膜层；
8.对所述晶圆正面上的待刻蚀区域进行干法刻蚀，在所述晶圆的正面形成具有孔道结构的微机电系统器件；
9.通过湿法刻蚀去除所述金属氧化物掩膜层。
10.可选地，所述在晶圆的正面上的非刻蚀区域形成图形化的金属氧化物掩膜层，包括：在晶圆的正面上的待刻蚀区域上形成图案化光刻胶层；
11.在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的正面形成金属有机化合物凝胶层；
12.在氧气氛围下对所述晶圆高温退火，使所述金属有机化合物凝胶层中的金属有机化合物被氧化成金属氧化物，以在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的正面形成金属氧化物掩膜层；
13.去除所述图案化光刻胶层，以形成所述金属氧化物掩膜层。
14.可选地，所述在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的正面形成金属有机化合物凝胶层包括：
15.采用溶胶凝胶法制备有金属有机化合物凝胶；
16.将所述金属有机化合物凝胶旋涂在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的正
面，形成所述金属有机化合物凝胶层。
17.可选地，所述采用溶胶凝胶法制备有金属有机化合物凝胶包括：
18.称取第一设定剂量的金属有机化合物试剂以及与所述金属有机化合物试剂等剂量的乙醇胺试剂金属有机化合物；
19.将所述金属有机化合物试剂和所述乙醇胺试剂溶解于第二设定剂量的乙二醇溶剂或甲醚溶剂中；
20.在设定温度下持续搅拌第一设定时长，并静置陈化第二设定时长后，得到所述金属有机化合物凝胶。
21.可选地，所述将所述金属有机化合物凝胶旋涂在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的正面包括：
22.先以第一设定转速在所述晶圆正面旋涂所述金属有机化合物凝胶第三设定时长，再以第二设定转速在所述晶圆正面旋涂所述金属有机化合物凝胶第四预设时长，其中，所述第一设定转速小于所述第二设定转速，所述第三设定时长小于所述第四设定时长。
23.可选地，所述在氧气氛围下对所述晶圆高温退火包括：
24.在氧气氛围下，以第一设定温度对所述晶圆加热第五设定时长；
25.将所述晶圆冷却至室温。
26.可选地，在形成金属氧化物掩膜层的步骤中，还包括：
27.重复所述在所述图案化光刻胶层暴露出的所述晶圆的正面形成金属有机化合物凝胶层以及所述在氧气氛围下对所述晶圆高温退火的步骤，直到所述金属氧化物掩膜层的厚度达到设定厚度。
28.可选地，在所述采用湿法刻蚀去除所述掩膜层之后，还包括：
29.通过背面减薄或机械切割将所述晶圆上的多个所述微机电系统器件分割成独立的微机电系统器件。
30.可选地，在所述采用湿法刻蚀去除所述掩膜层之后，还包括：
31.将正面形成有多个微机电系统器件的两个晶圆的正面相对并键合在一起，使两个晶圆正面的微机电系统器件一一相对键合，相对键合的两个微机电系统器件形成一个复合微机电系统器件，所述复合微机电系统器件中的两个微机电系统器件的孔道结构重合并连通；
32.通过背面减薄或机械切割将两个晶圆上的多个所述复合微机电系统器件分割成独立的复合微机电系统器件。
33.可选地，所述在晶圆的正面上的非刻蚀区域形成图形化的金属氧化物掩膜层，包括：
34.在晶圆的正面上形成金属有机化合物凝胶层；
35.在氧气氛围下对所述晶圆高温退火，使所述金属有机化合物凝胶层中的金属有机化合物被氧化成金属氧化物；
36.在所述金属氧化物上且对应所述晶圆的非刻蚀区域上形成图案化光刻胶层；
37.以所述图案化光刻胶层为掩膜对所述金属氧化物进行刻蚀；
38.去除所述图案化光刻胶层，形成所述金属氧化物掩膜层。
39.可选地，所述金属氧化物至少包括氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氧化铟锡和氧
化铪的其中之一。
40.本发明还提出一种微机电系统器件，所述微机电系统器件采用以上所述的微机电系统器件的制造方法制造而成。
41.本发明的有益效果在于：
42.本发明首先在晶圆的正面上的非刻蚀区域形成图形化的金属氧化物掩膜层，然后对待刻蚀区域进行干法刻蚀，在晶圆的正面形成具有孔道结构的微机电系统器件，之后通过湿法刻蚀去除金属氧化物掩膜层，对于氧化硅等刻蚀选择比较低的待刻蚀材料，相较于现有的金属掩膜，本发明的方法形成的金属氧化物掩膜层能够与刻蚀选择比较低的待刻蚀材料紧密结合，在后续对晶圆进行干法刻蚀形成微机电系统器件过程中不易脱落，能够获得高深宽比的器件结构，提高器件制备的良率。
43.本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
44.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
45.图1示出了现有技术三采用硅掩膜进行深玻璃刻蚀的sem表征图。
46.图2示出了根据本发明实施例1的一种微机电系统器件的制造方法的步骤图。
47.图3示出了根据本发明实施例1的一种微机电系统器件的制造方法中各步骤对应的器件结构变化示意图。
48.图4示出了根据本发明实施例2的一种微机电系统器件的制造方法中各步骤对应的器件结构变化示意图。
49.图5示出了根据本发明具体实施例的一种微机电系统器件的制造方法中金属氧化物掩膜的sem表征图。
50.图6示出了根据本发明具体实施例的一种微机电系统器件的制造方法制备的氧化硅光波导器件sem表征图。
具体实施方式
51.发明人在研究中发现，现有技术一采用sf6和xe作刻蚀气体，cr/au和ni做掩膜，但形成的金属掩膜与氧化硅的粘合性差，结合并不紧密，容易脱落，导致器件良率下降且无法获得高深宽比的氧化硅器件结构。
52.现有技术二公开了一种高深宽比玻璃刻蚀工艺，其采用电感耦合等离子刻蚀系统，且反应气体包括c4f8、h2及he，并采用以下工艺参数：离子源功率为1000-1400w；承片台功率为300-400w；反应室压力为2-4mt；c4f8流量为10-20sccm；h2流量为4-8sccm；he流量为150-200sccm。该技术方案通过对包括刻蚀掩膜、离子源功率、承片台功率、反应室压力等一系列重要刻蚀工艺参数的调整，可以改善玻璃刻蚀的侧壁角度和玻璃对掩膜的刻蚀选择比，在增加玻璃刻蚀速率和深宽比的同时，可明显改善玻璃材料刻蚀的均匀性。但该技术采
用sic作刻蚀掩膜，成本较高。
53.如图1所示，现有技术三采用硅作顶部的掩膜，c4f8作刻蚀气体，实现玻璃深刻蚀。但该方法采用硅作掩膜，选择比不高。
54.sio2等离子刻蚀主要采用碳氟气体进行刻蚀，其反应机理为：
55.碳氟等离子体形成：c
xfy
→
cf
3*
cf
2*
cf
*
f
*
e- 光子
56.sio2刻蚀：cfn sio2→
sif4↑
co2↑
57.si保护形成：si cfn→
si
δ
⊕-c-fn
δ
⊕
↓
58.碳氟聚合物形成：cfn→
{cf2}n↓
59.si被f自由基刻蚀：si 4f
*
→
sif4↑
60.碳氟类气体可以游离出f自由基，虽然cf自由基主要是与硅形成聚合物的保护，但是f自由基是可以刻动硅的，因此，硅用于氧化硅刻蚀的掩膜选择比比较差。
61.现有技术四采用氮化硅(si3n4)作氧化硅的刻蚀掩膜，选择比同样不高。
62.现有技术五采用pvd和电镀的方法制备氧化硅刻蚀的掩膜，具体而言，先用pvd制备种子层，再用电镀增厚。但种子层与氧化硅之间的粘附力随着金属掩膜厚度增加后会显著降低，从而会降低器件良率。
63.可以看出，现有技术中，金属掩膜限制于金属与sio2的粘合性差，sic掩膜限制于高成本及选择比，si3n4掩膜限制于选择比，si掩膜限制于工艺中f的产生(选择比低)。发明人在分析现有的工艺方案基础上，并通过进一步的研究发现金属氧化物具有与sio2结合好，工艺中不易与cf进行反应的特点，故可获得更好的工艺结果。
64.本发明旨在使用一种新的氧化硅刻蚀的掩膜，从而获得高深宽比的氧化硅结构。
65.下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
66.图2示出了根据本发明的一种微机电系统器件的制造方法的步骤图。
67.如图2所示，一种微机电系统器件的制造方法，包括：
68.步骤s101：在晶圆的正面上的非刻蚀区域形成图形化的金属氧化物掩膜层；
69.如图3所示，本步骤具体包括以下步骤s201-s203：
70.步骤s201：在图案化光刻胶层暴露出的晶圆的正面形成金属有机化合物凝胶层；
71.具体地，在步骤s201之前，还包括在晶圆的正面上的待刻蚀区域上形成图案化光刻胶层：
72.首先，将采购的石英或者玻璃原料在高温下熔融，温度范围1700～2500℃，优选2000℃，之后浇铸在一个具有晶圆形状的模具内冷却成型，获得石英或者玻璃晶圆。即本实施例中晶圆的材料为氧化硅，需要说明的是待刻蚀对象不局限于氧化硅，在其他实施例中，任何对光刻胶选择比比较低的待刻蚀材料均可以使用，如氮化镓、碳化硅等。
73.然后，根据器件的设计需要制作相应的光刻掩膜板，在石英或者玻璃晶圆上旋涂光刻胶，曝光、显影，在晶圆上获得图案化的光刻胶。光刻胶旋涂厚度范围0.5～20微米，优选3微米；掩模板根据需要提前进行设计和加工，曝光时间优选6秒，取值范围3～20s，显影时间优选75s，取值范围45～120s，定影时间优选120s，取值范围60～300s，使光刻胶图案
化。
74.在步骤s201中，形成金属有机化合物凝胶层包括：
75.采用溶胶凝胶法制备有金属有机化合物凝胶；然后将金属有机化合物凝胶旋涂在图案化光刻胶层暴露出的晶圆的正面，形成金属有机化合物凝胶层。
76.其中，采用溶胶凝胶法制备有金属有机化合物凝胶具体包括：
77.称取第一设定剂量的金属有机化合物试剂以及与金属有机化合物试剂等剂量的乙醇胺试剂金属有机化合物；
78.将金属有机化合物试剂和乙醇胺试剂溶解于第二设定剂量的乙二醇溶剂或甲醚溶剂中；
79.在设定温度下持续搅拌第一设定时长，并静置陈化第二设定时长后，得到金属有机化合物凝胶；
80.其中金属氧化物至少包括氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氧化铟锡和氧化铪的其中之一。
81.具体地，利用溶胶凝胶法制备金属氧化物薄膜，金属氧化物可以是氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氧化铟锡和氧化铪等等，例如当金属氧化物为氧化铝时，金属有机化合物为乙酸铝，当金属氧化物为氧化锌时，金属有机化合物为乙酸锌，其中第一设定剂量的可选范围为1～1000mmol，优选7mool，第二设定剂量可选范围为1～1000ml，优选30ml，设定温度的可选范围为50～90℃，优选60℃，第一设定时长可选1～2h，优选1.5h，第二设定时长为24h。
82.以氧化锌为例，可以称取7mmol的乙酸锌与等摩尔的乙醇胺试剂，将乙酸锌和乙醇胺试剂溶解于30ml乙二醇或者甲醚溶剂中，在60℃下持续搅拌11.5h，静置陈化24h，形成金属有机化合物凝胶。
83.本步骤中，将金属有机化合物凝胶旋涂在图案化光刻胶层暴露出的晶圆的正面包括：
84.先以第一设定转速在晶圆正面旋涂金属有机化合物凝胶第三设定时长，再以第二设定转速在晶圆正面旋涂金属有机化合物凝胶第四预设时长，其中，第一设定转速小于第二设定转速，第三设定时长小于第四设定时长。
85.其中，第一设定转速可选范围为100～1000r/min，优选为600r/min，第三设定时长为1～20s，优选为6s，第二设定转速可选范围为1000～10000r/min，优选为3000r/min，第四设定时长可选范围5～200s，优选为15s。
86.例如，将金属有机化合物凝胶旋涂到晶圆上，先以600r/min转速旋转6s，再以3000r/min转速旋转15s，形成金属有机化合物凝胶层。
87.步骤s202：在氧气氛围下对晶圆高温退火，使金属有机化合物凝胶层中的金属有机化合物被氧化成金属氧化物，以在图案化光刻胶层暴露出的晶圆的正面形成金属氧化物掩膜层；
88.在氧气氛围下对晶圆高温退火具体包括：
89.在氧气氛围下，以第一设定温度对晶圆加热第五设定时长；
90.将晶圆冷却至室温。
91.然后，重复在图案化光刻胶层暴露出的晶圆的正面形成金属有机化合物凝胶层以
及在氧气氛围下对晶圆高温退火的步骤，直到金属氧化物掩膜层的厚度达到设定厚度。
92.其中，第一设定温度可选范围为400～1000℃，优选500℃，第五设定时长可选为0.5-1.5h，优选为1h。
93.具体地，在空气(或氧气)氛围下高温退火，可以使金属有机化合物被氧化成金属氧化物，同样以氧化锌作为金属氧化物举例，在500℃的温度下对正面形成金属有机化合物凝胶层的晶圆加热1h，然后将晶圆冷却至室温，依照所需要的掩膜厚度可反复重复旋涂和退火这两步操作，直至掩膜厚度达到预期(可通过小角x射线衍射的方法来分析掩膜厚度，或者直接裂片测断面sem得到掩膜厚度)。
94.步骤s203：去除图案化光刻胶层，以暴露出晶圆正面的待刻蚀区域，形成金属氧化物掩膜层；
95.具体地，可以采用丙酮药液浸泡的方法使图案化光刻胶层从晶圆表面剥离，或者采用干法刻蚀去除光刻胶层。
96.步骤s102：对晶圆的正面上的待刻蚀区域进行干法刻蚀，在晶圆的正面形成具有孔道结构的微机电系统器件；
97.具体地，在制备好金属氧化物掩膜层之后，采用等离子体刻蚀对玻璃或者石英晶圆进行刻蚀加工。其中，干法刻蚀的工艺参数包括：腔压范围1～30mtorr，上电极功率范围600～3000w，下电极功率范围50～500w，氩气流量范围10～100sccm，刻蚀气体cf4流量范围10～100sccm(也可以用c4f8、chf3等其它碳氟类气体作为刻蚀气体)，基座冷却液温度范围-15～10℃，刻蚀时间根据刻蚀深度而定。
98.步骤s103：通过湿法刻蚀去除金属氧化物掩膜层。
99.具体地，采用湿法刻蚀腐蚀掉掩膜的金属氧化物，例如可以使用1mol/l的稀盐酸溶液漂洗，时间范围可选为5～60min，优选15min，之后再用超纯水漂洗三次。本实施例中上述各步骤对应的器件结构变化如图3所示。
100.本实施例中，在步骤s103之后，还包括：
101.步骤s104：通过背面减薄或机械切割将晶圆上的多个微机电系统器件分割成独立的微机电系统器件。
102.具体地，采用化学机械抛光(cmp)或者机械切割的方式将晶圆上的器件分割成独立的器件。抛光液流量50～500ml/min，优选200ml/min，研磨头施加到晶圆上的压力50～500ml/min，优选50g/cm2，转速5～50rpm，优选10rpm。
103.可选地，如果需要进一步增加器件的深宽比，步骤s103之后，可以包括：
104.步骤s105：将正面形成有多个微机电系统器件的两个晶圆的正面相对并键合在一起，使两个晶圆正面的微机电系统器件一一相对键合，相对键合的两个微机电系统器件形成一个复合微机电系统器件，复合微机电系统器件中的两个微机电系统器件的孔道结构重合并连通；
105.步骤s106：通过背面减薄或机械切割将两个晶圆上的多个复合微机电系统器件分割成独立的复合微机电系统器件。
106.具体地，如果通过步骤s101-s103获得的高深宽比的氧化硅结果如果还不能达到深宽比的要求，则将两块通过步骤s101-s103制备好的晶圆正面面对面进行键合，键合时可以使用专业的粘合剂进行键合，然后通过cmp的方法进行减薄，抛光液流量50～500ml/min，
优选200ml/min，研磨头施加到晶圆上的压力50～500ml/min，优选50g/cm2，转速5～50rpm，优选10rpm，暴露出孔道结构，最后再切割获得深宽比增加一倍的器件结构。
107.实施例2
108.一种微机电系统器件的制造方法，包括：
109.步骤s301：在晶圆的正面上的非刻蚀区域形成图形化的金属氧化物掩膜层；
110.步骤s302：对晶圆正面上的待刻蚀区域进行干法刻蚀，在晶圆的正面形成具有孔道结构的微机电系统器件；
111.步骤s303：通过湿法刻蚀去除金属氧化物掩膜层。
112.本实施例与实施例1的区别在于在晶圆的正面上的非刻蚀区域形成图形化的金属氧化物掩膜层的方法不同，本实施例的步骤s301包括以下步骤s401-s405：
113.步骤s401：在晶圆的正面上形成金属有机化合物凝胶层；
114.具体地，采用溶胶凝胶法制备有金属有机化合物凝胶；然后将金属有机化合物凝胶旋涂在晶圆的正面，形成金属有机化合物凝胶层。其中，采用溶胶凝胶法制备有金属有机化合物凝胶的方法以及旋涂工艺参考上述实施例1的步骤s201，此处不再赘述。
115.步骤s402：在氧气氛围下对晶圆高温退火，使金属有机化合物凝胶层中的金属有机化合物被氧化成金属氧化物；
116.具体地，高温退火工艺参考实施例1的步骤s202，此处不再赘述。
117.步骤s403：在金属氧化物上且对应晶圆的非刻蚀区域上形成图案化光刻胶层；
118.具体地，根据器件的设计需要制作相应的光刻掩膜板，在形成的金属氧化物层上旋涂光刻胶，经曝光、显影后，在晶圆上获得图案化的光刻胶，并暴露出需要刻蚀的金属氧化物。图案化光刻胶的具体方法参考上述实施例1中步骤s201之前图案化光刻胶的步骤，此处不再赘述。
119.步骤s404：以图案化光刻胶层为掩膜对金属氧化物进行刻蚀；
120.具体地，图案化光刻胶层之后，采用干法刻蚀工艺，对光刻胶层暴露出金属氧化物进行刻蚀，以对晶圆正面上的金属氧化物图案化。
121.本步骤中，以氧化铝举例，即凝胶层氧化形成的金属氧化物为氧化铝，对氧化铝层进行干法刻蚀的工艺参数包括：腔压范围2.6～3mtorr，上电极功率范围1200～1400w，下电极功率范围450～800w(me优选450～650w，oe优选700～800w)，主要刻蚀气体bcl3流量范围60～120sccm(me优选100～120sccm，oe优选60～100sccm)，辅助刻蚀气体chf3流量范围3～10sccm，基座冷却液温度范围0～30℃，背he压力范围4～6mtorr，刻蚀时间根据刻蚀深度而定。
122.步骤s405：去除图案化光刻胶层，形成金属氧化物掩膜层。
123.具体地，可以采用丙酮药液浸泡的方法去除图案化光刻胶层，或者采用干法刻蚀直接去除光刻胶层。
124.本实施例的步骤s302-s303与实施例1中的步骤s102-s103相同，此处不再赘述，本实施例中上述各步骤对应的器件结构变化如图4所示。此外本实施例也可以包括实施例1中的步骤s104-s106。
125.实施例3
126.本发明实施例还提出一种微机电系统器件，微机电系统器件采用以上任一实施例
的微机电系统器件的制造方法制造而成。
127.在一个具体实施例中，基于上述实施例的微机电系统器件制造方法制备氧化硅光波导器件，执行上述实施例1的步骤s101(或步骤s301)在氧化硅晶圆正面制备出金属氧化物(如氧化锌)掩膜层，掩膜层的结构如图5所示，sem表征约1微米厚。
128.然后执行步骤s102进行等离子体干法刻蚀，配方如表1所示：
129.表1干法刻蚀工艺配方
[0130][0131]
刻蚀完成后，执行步骤s103-s104，通过湿法刻蚀去除金属氧化物掩膜层，并通过背面减薄或机械切割将晶圆上的多个微机电系统器件分割成独立的微机电系统器件。
[0132]
获得的氧化硅光波导器件sem表征如图6所示，可以看出，该氧化硅光波导器件为具有高深宽比的微结构。
[0133]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。